朱敏、胡仁宗《AM》：构建富锂人工SEI层助力高离子电导率全固态锂金属电池！

来源：高分子科学前沿

目前广泛应用于电动汽车的锂离子电池(LIBs)中存在的液态电解质，在非正常工况下极易引发危险事故。而固体电解质由于具有机械强度高、热稳定性好，可以防止泄漏事故的发生，甚至可以作为防止锂枝晶穿透的坚固屏障等优点而颇具前景。通过使用固体电解质，金属锂可以直接用作锂离子电池的阳极，以获得更高的能量密度，确保更好的安全性。固体电解质大致可分为固体聚合物电解质和无机固体电解质。通常，无机固体电解质在室温下具有较高的离子导电性，但陶瓷的刚性和脆性使电极与电解质之间难以保持良好的接触，这将导致全固态锂离子电池的界面阻抗较大。相反，固体聚合物电解质在电池设计和制造方面具有灵活性高、重量轻、易加工、接触电阻低等优点，但离子电导率普遍较差，特别是在环境温度下。其中，聚环氧乙烷(PEO)通过掺Li盐来提高其性能得到了广泛的研究，但PEO在室温下的离子电导率只有约10-6 S cm-1，远远不能实际应用。众所周知，PEO的离子导电性主要是由于非晶态区域中的可移动链，在非晶态区域中离子通过与锂氧（Li-O）键链断裂/形成来进行转移。然而，在室温下，PEO的大部分链呈规则排列，即结晶，这导致PEO的离子电导率较低。因此，降低PEO的结晶度是提高PEO离子导电性的有效途径。

鉴于此，来自于华南理工大学的朱敏、胡仁宗课题组基于界面设计的思想，通过在合金-聚合物复合电解质中构建富锂人工SEI层，实现全固态锂金属电池的高离子电导率。通过开环聚合，这种新型的人工SEI层具有与传统LIBs中SEI相似的组分，锂从Li基合金填料到PEO基体呈梯度分布。更重要的是，人造SEI层的厚度是首次直接通过电子能量损失光谱法获得，约为60nm，这对评估人工SEI层的离子输运能力起到了重要作用。

文章亮点：

(1) 通过高分辨率透射电子显微镜和电子能量损失谱分析发现，在锂基合金颗粒周围形成了一层非晶态的人工界面层，并且锂沿其呈梯度分布。

(2) 电化学分析和理论建模表明，界面层为PEOm-Li21Si5复合固体电解质能够提供快速的离子传输路径，对实现高稳定的离子电导率起着关键作用。

(3) PEOm-5%Li21Si5复合电解质在30℃时的离子电导率为3.9 × 10-5 S cm-1，在45℃时的离子电导率为5.6 × 10−4 S cm-1。组成的LiFePO4 | PEOm-5%Li21Si5 | Li全固态电池可以在30°C，0.2 C的电流密度下循环100圈之后维持一个稳定的容量(129.2 mA h g−1)。在45°C，0.5 C的电流密度下循环200圈之后容量也仍可达到111.3 mAh g-1，展示良好的循环稳定性和高倍率性能。